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Potencial Elétrico, Dielétricos e Capacitores

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Potencial elétrico● O campo elétrico é um campo de forças conservativo:

Se, por exemplo, movermos uma carga elétrica positiva afastando-a de uma carga negativa, estamos agindo contra o sentido da força de atração entre elas. O resultado é o armazenamento de energia, que pode ser recuperada se as cargas forem “liberadas”.

O trabalho realizado para levar uma carga de teste de um ponto A a um ponto B em um campo elétrico é denominado “diferença de potencial” entre A e B.

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Potencial elétrico● O potencial elétrico é dado então por:

O potencial elétrico pode ser representado por graficamente por linhas “eqüipotenciais”, ou seja, linhas que indicam pontos com o mesmo potencial

W=−Q∫A

BE⋅dl

V AB=WQ

=−∫A

BE.dl

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Potencial elétrico● Linhas de campo e eqüipotenciais de uma carga elétrica

positiva

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● Linhas de campo e eqüipotenciais de diversas configurações de cargas

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Materiais Dielétricos● Um material isolante é uma substância em que

os elétrons e íons não podem se mover em distâncias macroscópicas, como nos condutores.

● Nenhum material é um isolante perfeito, no entanto muitos materiais apresentam deslocamento de elétrons desprezível e esses materiais tem interesse prático na Engenharia.

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Polarização● Um material isolante, quando submetido a um

campo elétrico, tem seus elétrons deslocados de distâncias microscópicas (moleculares). Esse fenômeno é conhecido como polarização.

● Quando nos referimos aos fenômenos relacionados à polarização dos materiais isolantes, os chamamos de materiais dielétricos

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Polarização● Devido à polarização, os materiais dielétricos

são capazes de armazenar energia elétrica.● A figura abaixo mostra o efeito de um campo

elétrico sobre as cargas em um material dielétrico.

+

E

≡ + - Dipolo elétrico

E

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Polarização● Uma porção de material de material dielétrico

é formada por uma infinidade de dipolos:

+ -

+ -

+ -+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -+ -

+ -

+ -

+ -

E

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Constante dielétrica● Um material dielétrico é caracterizado por sua constante

dielétrica (ou permissividade elétrica) ε ● Através dessa constante pode-se relacionar a densidade de

fluxo elétrico e o campo elétrico no material:

● A constante dielétrica é normalmente apresentada de forma relativa – em relação à constante dielétrica do vácuo: ε

0

● Quanto maior a constante dielétrica, maior a densidade de fluxo elétrico no material para um mesmo campo aplicado

D= E

=r0

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Constante dielétrica● Nenhum material dielétrico é perfeito,ou seja, a partir de uma

determinada intensidade de campo elétrico ocorre a ruptura do dielétrico, isto é, a formação de um canal condutivo no corpo do dielétrico

● Em dielétricos na forma gasosa ou líquida normalmente não ocorre dano permanente ao material

● Em dielétricos sólidos, por outro lado, ocorre uma mudança permanente – formação do canal condutor - e o dielétrico fica inutilizado

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Valores típicos de constante dielétrica e ponto de ruptura

Material εr

Ponto de ruptura [kV/cm]

Ar 1 30

Baquelite 4,8 25

Vidro 4 a 9 30

Mica 5,4 200

Porcelana 5 a 9 11

Poliestireno 2,6 20

Óleo 2,3 15

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Polarização● Uma aplicação típica de dielétricos são os

capacitores, componentes muito utilizados tanto na Eletrotécnica quanto na Eletrônica.

● Os capacitores tem a propriedade de armazenar energia elétrica

● Dispositivos preenchidos com gás apropriado são utilizados para desviar surtos de alta-tensão em linhas de transmissão e distribuição de energia elétrica

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Capacitores● Capacitores são construídos em diversos formatos. Todos

eles tem como base a configuração de “placas paralelas”, explicada a seguir:

PlacasA

Ed

+Q

-Q+ + + + + + + + + + + +

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

C= Ad

−constante dielétrica

A−área das placas [m2]

d−distância entreas placas [m]

C−capacitância emFarday [F ]

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Capacitores● Analisando a expressão da capacitância de duas placas

paralelas:● Quanto maior a área das placas maior a capacitância● Quanto maior a distância entre as placas, menor a

capacitância● Quanto maior a constante dielétrica, maior a

capacitância

C= Ad

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Capacitores● Exemplos de capacitores

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Potencial etérico● Exercício: A distância entre os eletrodos de uma vela de ignição

de automóvel é de 0,060 cm. Para produzir uma faísca elétrica em uma mistura gasolina/ar deve haver um campo de 3,0 x 106 V/m. Para que o automóvel “dê partida” qual deve ser a tensão mínima aplicada na vela de ignição?

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Capacitores● Exercício: Calcule a capacitância de um capacitor feito

com 2 placas paralelas condutoras de alumínio com 1 cm2 de área preenchido com um dielétrico de 2,5 mm de espessura e constante dielétrica relativa de 2,8.